हबल स्पेस टेलीस्कोप का वाइड फील्ड कैमरा 3: ब्रह्मांड की गहराइयों में झाँकती तकनीकी आश्चर्य
हबल स्पेस टेलीस्कोप के वाइड फील्ड कैमरा 3 (WFC3) के द्वि-चैनल आर्किटेक्चर, ऑप्टिकल डिज़ाइन और कूलिंग मैकेनिज्म की गहराई से समझ।
अंतरिक्ष विज्ञान के इतिहास में हबल स्पेस टेलीस्कोप (Hubble Space Telescope) का योगदान अप्रतिम रहा है। पृथ्वी के वायुमंडल से बाहर रहकर ब्रह्मांड के अस्पष्ट दृश्यों को अत्यंत स्पष्ट रूप से कैप्चर करने के लिए हबल एक क्रांतिकारी साधन साबित हुआ है। हबल के विज्ञान अभियान में सबसे महत्वपूर्ण क्षमता उसके चौथी पीढ़ी के साधन वाइड फील्ड कैमरा 3 (Wide Field Camera 3 या WFC3) द्वारा मिली है। यह कैमरा हबल टेलीस्कोप पर स्थापित किया गया अंतिम और सबसे अत्याधुनिक दृश्य-प्रकाशित (visible spectrum) कैमरा है।
WFC3 को स्पेस शटल मिशन STS-125 (हबल सर्विसिंग मिशन 4) के दौरान १४ मई २००९ को अंतरिक्ष यात्री जोन ग्रंसफेल्ड (John M. Grunsfeld) और एंड्रयू फ्यूस्टेल (Andrew J. Feustel) द्वारा पुराने वाइड फील्ड एंड प्लेनेटरी कैमरा 2 (WFPC2) के स्थान पर इंस्टॉल किया गया था। यह साधन हबल को पराबैंगनी (ultraviolet), दृश्यमान प्रकाश और समीप-अवरक्त (near-infrared) तरंगलंबाई में विशाल क्षेत्रफलों की तस्वीरें लेने की शक्ति देता है।
अंतरिक्ष टेलीस्कोप का इतिहास और जरूरत
स्पेस टेलीस्कोप का विचार सर्वप्रथम १९२३ में रॉकेट साइंस के पिता माने जाने वाले हरमन ओबर्थ (Hermann Oberth) द्वारा प्रस्तुत किया गया था। तदुपरांत १९४६ में खगोलशास्त्री लाइमैन स्पिट्जर (Lyman Spitzer) के क्रांतिकारी शोध पत्र में पृथ्वी के बाहर टेलीस्कोप रखने के दो मुख्य फायदे दर्शाए गए थे। प्रथम, वायुमंडल की हलचल और टर्बुलेंस (turbulence) के कारण तारे टिमटिमाते दिखते हैं, जिसे खगोलशास्त्र में सीइंग (seeing) कहते हैं। पृथ्वी पर के टेलीस्कोप ०.५ से १.० आर्कसेकंड (arcsecond) के कोणीय रेजोल्यूशन (angular resolution) तक सीमित थे, जबकि औपचारिक २.५ मीटर के स्पेस टेलीस्कोप के लिए वह ०.०५ आर्कसेकंड तक संभव था। दूसरा, पृथ्वी का वायुमंडल अल्ट्रावॉयलेट और इन्फ्रारेड प्रकाश को सोख लेता है, जिसे स्पेस टेलीस्कोप द्वारा आसानी से देखा जा सकता है।
इस क्षेत्र में नैन्सी ग्रेस रोमन (Nancy Grace Roman), जिन्हें 'मदर ऑफ हबल' के रूप में जाना जाता है, उन्होंने इस प्रोजेक्ट को आकार देने और यू.एस. कांग्रेस से फंडिंग प्राप्त करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी। १९७० के दशक में बजट में कटौती के कारण दर्पण का व्यास ३ मीटर से घटाकर २.४ मीटर किया गया और यूरोपियन स्पेस एजेंसी (ESA) के साथ साझेदारी की गई। आखिरकार १९९० में STS-31 मिशन द्वारा हबल लॉन्च हुआ। हालांकि इसके मुख्य दर्पण में स्फेरिकल एबेरेशन (spherical aberration) नामक विनिर्माण दोष के कारण १९९३ के STS-61 मिशन में ऑप्टिक्स सुधारकर मिशन सफल बनाया गया था।
WFC3 की द्वि-चैनल आर्किटेक्चर (Dual-Channel Architecture)
WFC3 को एक अत्यंत बहुमुखी कैमरे के रूप में डिज़ाइन किया गया है। यह उपकरण दो बिल्कुल स्वतंत्र प्रकाश मार्गों (light paths) या चैनलों को समेटे हुए है: यूवी/ऑप्टिकल (UV/Optical - UVIS) चैनल और समीप-अवरक्त (Near-Infrared - IR) चैनल। ये दोनों चैनल अपने स्वतंत्र फोकल प्लेन (focal plane) और डिटेक्टर आइसोलेशन रखते हैं।
| विशेषता | UV/Optical (UVIS) चैनल | Near-Infrared (IR) चैनल |
|---|---|---|
| तरंगदैर्ध्य रेंज (Wavelength Range) | 200 nm से 1000 nm | 800 nm से 1700 nm |
| डिटेक्टर का प्रकार (Detector Type) | 2 × CCD चिप्स | 1 × IR डिटेक्टर ऐरे |
| सेंसर रिज़ॉल्यूशन (Grid Size) | 2048 × 4096 पिक्सल (प्रत्येक) | 1024 × 1024 पिक्सल |
| फील्ड ऑफ व्यू (Field of View) | 164 × 164 आर्कसेकंड | 135 × 127 आर्कसेकंड |
| पिक्सेल स्केल (Pixel Resolution) | 0.04 आर्कसेकंड / पिक्सेल | 0.13 आर्कसेकंड / पिक्सेल |
UVIS चैनल 200 नैनोमीटर (nm) से 1000 nm तक की पराबैंगनी और दृश्यमान तरंगदैर्ध्य में काम करती है। इसमें चार्ज-कप्ल्ड डिवाइस (CCD - चिप आधारित इमेज सेंसर) की एक जोड़ी है, जिसमें प्रत्येक CCD 2048×4096 पिक्सेल्स रखते हैं। इस चैनल का फील्ड ऑफ व्यू (field of view) 164×164 आर्कसेकंड (2.7×2.7 आर्कमिनिट) है, जिसमें पिक्सेल स्केल 0.04 आर्कसेकंड प्रति पिक्सेल है। यह क्षेत्रफल पृथ्वी से दिखने वाले पूर्णिमा के चंद्रमा के व्यास के लगभग 8.5% जितना है।
दूसरी ओर, IR चैनल 800 nm से 1700 nm की समीप-अवरक्त तरंगदैर्ध्य को कवर करती है। यह चैनल 1024×1024 पिक्सेल्स का गैलियम-आर्सेनाइड या मर्क्यूरी-कैडमियम-टेल्यूराइड आधारित इन्फ्रारेड डिटेक्टर एरे (IR detector array) उपयोग करती है। इस चैनल का फील्ड ऑफ व्यू 135×127 आर्कसेकंड (2.3×2.1 आर्कमिनिट) है और पिक्सेल स्केल 0.13 आर्कसेकंड है, जिसने पुराने NICMOS उपकरण की तुलना में बहुत बड़ा कवरेज प्रदान किया है।
WFC3 का कार्य-प्रवाह और प्रकाश मार्ग
कैमरे के अंदर आने वाला प्रकाश कैसे प्रोसेस होता है, यह समझने के लिए इसका चरण-दर-चरण कार्य-प्रवाह निम्नलिखित है:
- 1. टेलीस्कोप दर्पण से प्रकाश का प्रवेशहबल के 2.4 मीटर के मुख्य दर्पण द्वारा कैप्चर किया गया प्रकाश WFC3 के प्रवेश द्वार में प्रवेश करता है।
- 2. चैनल सिलेक्शन और मार्ग निर्धारणप्रकाश की तरंगदैर्ध्य के अनुसार उसे UVIS (200-1000 nm) या IR (800-1700 nm) चैनल की ओर भेजा जाता है।
- 3. फिल्टरिंग और स्पेक्ट्रोस्कोपीप्रकाश फिल्टर व्हील से गुजरकर सटीक तरंगदैर्ध्य या ग्रिज़म (grism) द्वारा स्पेक्ट्रम में विभाजित होता है।
- 4. थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग नियंत्रणIR चैनल सेंसर को थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर द्वारा उचित कम तापमान पर रखकर थर्मल नॉइज़ को रोका जाता है।
- 5. डिटेक्टर कैप्चर और डिजिटाइजेशनCCD या IR ऐरे प्रकाश को डिजिटल डेटा में परिवर्तित कर प्रोसेसिंग के लिए पृथ्वी पर भेजते हैं।
WFC3 की एक विशेषता यह है कि इसमें टिकाऊपन और खर्च घटाने के लिए पुराने अंतरिक्ष हार्डवेयर का पुन: उपयोग किया गया है। इस कैमरे का बाहरी ढांचा और फिल्टर असेंबली मूल वाइड फील्ड एंड प्लैनेटरी कैमरा (WFPC1) की ही बनी हुई है, जो 1993 के सर्विसिंग मिशन के दौरान वापस लाई गई थी।
थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग और ऑप्टिकल सीमाएं
इन्फ्रारेड सेंसर्स में सबसे बड़ी चिंता यह होती है कि खुद उपकरण से निकलने वाली गर्मी ही इन्फ्रारेड तस्वीर को धुंधला कर देती है। पिछले उपकरण इसके लिए क्रायोजेनिक तरल (जैसे तरल हीलियम) का उपयोग करते थे जो समय के साथ समाप्त हो जाता था। परंतु WFC3 की IR चैनल को 1700 nm से आगे के प्रकाश के प्रति असंवेदनशील (lack sensitivity) बनाया गया है।
चूंकि हबल स्पेस टेलीस्कोप का ढांचा तुलना में गर्म होता है, 1700 nm से ऊपर की तरंगदैर्ध्य पर इस ढांचे से ही थर्मल बैकग्राउंड (thermal background) रेडिएशन उत्पन्न होता है। यह कट-ऑफ सीमा तय करने की वजह से WFC3 को किसी भी समाप्त होने वाले क्रायोजेन (consumables) के बिना केवल थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (thermoelectric cooler) द्वारा ठंडा रखा जा सकता है, जिससे इसका आयुकाल असीमित बन जाता है।
मिशन का इतिहास और वैज्ञानिक योगदान
WFC3 को नासा के गोडार्ड स्पेस फ्लाइट सेंटर (Goddard Space Flight Center - GSFC) और बॉल एयरोस्पेस (Ball Aerospace) द्वारा तैयार किया गया था। मई 2009 में स्थापित होने के बाद इस कैमरे ने ब्रह्मांड के अद्भुत रहस्यों को उजागर किया है।
हबल के 25 वर्ष पूरे होने के उपलक्ष्य में जनवरी 2015 में अंकुरित तारों वाले क्षेत्र 'पिलर्स ऑफ क्रिएशन' (Pillars of Creation - ईगल नेबुला) की WFC3 द्वारा ली गई हाई-रेजोल्यूशन विजिबल और इन्फ्रारेड तस्वीर प्रस्तुत की गई थी। इससे पहले 1995 में ली गई तस्वीर पुराने WFPC2 कैमरे से ली गई थी।
8 जनवरी 2019 को WFC3 में सॉफ्टवेयर संबंधी समस्या आने पर ऑनबोर्ड कंप्यूटर ने इसकी कार्यप्रणाली स्थगित कर दी थी, लेकिन नासा ने 17 जनवरी 2019 को इसे सफलतापूर्वक सॉफ्टवेयर फिक्स करके पुनः सक्रिय कर दिया था। WFC3 का IR मोड जेम्स वेब स्पेस टेलीस्कोप (James Webb Space Telescope - JWST) के लिए टेक्नोलॉजिकल पाथफाइंडर (pathfinder) साबित हुआ है और आज भी हबल का सबसे सक्षम नेत्र बना हुआ है।
